Устройство для определения инди-катрис рассеяния дисперсной среды

 

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДИКАТРИС

РАССЕЯНИЯ ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЫ

Изобретениеотносится ктехнической физике и может быть использовано для измерения размеров и оптических свойств частиц во взвеси, в том числе при быстропротекающих процессах, по полной матрице рассеяния, Известно устройство обеспечивающее получение круговой индикатрисы рассеяния при помощи экспонирования фотопленки, размещенной в цилиндрической кассете, внутри которой распс.-южен исследуемый объект, а зондирующий луч проходит в плоскости кассеты через ее центр () )

Устройство. позволяет зафиксировать одно, интегральное эа время экспозиции, значение индикатрисы.

Временное разрешение такого устройства крайне мало, так как ограничено временем экспозиции и перезарядки.

Известно также устройство, в котором рассеянное излучение воспринимается непосредственно фотопркемниками(ФЗУ), зафиксированными под соответствующими углами к зондирующему лучу 2 l.

Такое устройство, обладая высоким временным разрешением, не обеспечи5 вает достаточной точности измерений при исследовании целого ряда объектов.

Например, при измерении индикатрис рассеяния светоэрозионной плазмы, различного рода пробоев необходимо

10 измерять излучение рассеянное вперед под малыми углами к зондирующему лучу с большим разрешением по углам например, в диапазоне 0,5 + 5 с шагом

0,5 ). Подобные устройства не обладают о такой возможностью. Кроме того, снижает точность измерений существенная временная нестабильность

ФЗУ при значительной неидентичности характеристик различных экземпляров

ФЗУ и большом количестве измеритель— ных каналов. Установка обладает большими габаритами и неудобна в обслуживании. Более стабильные чем ФЗУ фа

3 85ll приемники, например кремниевые фотодиоды, обладают меньшей чувствительностью и не могут обеспечить достаточной точностИ измерений по всем углам рассеяния.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащее источник коллимированного 1О излучения, установленные по ходу излучения оптическую систему сканирования и фотоприемник. Оптическая система сканирования выполнена в виде коленчатой трубы, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной к направлению зондирующего луча и проходящей через ось этого луча, причем приемный зрачок расположен на перемещающемся конце трубы, а фотоприемник — на фиксиро

?О ванном (3 )..

Прибор выполнен для визуальных измерений методом сравнения, однако без внесения принципиальным измерений в конструкцию он может быть полностью автоматизирован. Тем не менее и в таком модернизированном исполнении прибор не может обеспечить совокупность требований, предъявляемых при исследовании объектов.УгЗО ловой диапазон измеряемых прибором индикатрис составляет 16-:164 . При малых радиусах вращения приемного зрачка прибор не обеспечивает необходимой точности измерений, так как не позволяет полнить точного углового разрешения, при больших радиусах (Ъ50 см) не ооеспечивает нужного временного разрешения, так как скорость вращения коленчатой трубы соответствующего размера практически не может быть доведена до необходимой(200- .2000 об/с) Цель изобретения — повышение точности измерений индикатрис рассеяния дисперсной среды.

Поставленная цель достигается 45 тем, что в устройстве для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащем источник коллимированного излучения, установленные по ходу излучения оптическую систему so сканирования и фотоприемник, оптическая система сканирования выполнена в виде расположенных по касательным к эллипсу и перпендикулярных его плоскости плоских зеркал и зеркала, установленного с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эллипса и проходящей через

12

4 один из его фокусов, под углом 45 к этой оси, причем соотношение размеров полуосей эллипса (s, в)и размера дисперсной среды D в плоскости эллипса должно удовлетворять неравенс тву (р-- /а -Q ) v) . При этом дисперсная среда размещена в другом фокусе эллипса.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 — то же, вид сверху.

Устройство содержит источник

1 коллимированного излучения исслеР дуемую дисперсную среду 2, неподвижные зеркала 3, вращающееся зеркало 4, фотоприемный блок, включающий в себя фотоприемник 5, круговую диафрагму 6 и светофильтр 7, полоса частот пропускания которого соответствует излучению- источника 1, регистрирующий блок 8, состоящий из аналогоцифрового преобразователя и блока памяти.

Элементы устройства установлены таким образом, что ось зондирующего луча, генерируемого источником 1, лежит в плоскости эллипса А В4А В и проходит через его .фокус 04, геометрический центр исследуемой области дисперсной среды 2 совпадает с фокусом 04, горизонтальные осевые линии отражающих поверхностей зеркал

3 представляют собой касательные к эллипсу А4В4А2". в точках, являющихся центрами этих поверхностей, а сами поверхности ортогональны к плоскости А1В4А В . Ось вращения ОО зер кала 4 проходйт через фокус О> и ор тогональна плоскости А В А В, центр отражающей поверхности лежит в этой плоскости, а сама поверхность составляет угол 45 с плоскостью А„В„А В,, ось фотоприемного блока совпадает с линией ОО.

Устройство работает следующим образом.

Измеряют ту часть излучения источника 1, которая рассеяна иа частицах дисперсной среды 2 в плоскостях, параллельных А В .А В под углами Д (фиг. 2), заданнымй по условиям эксперимента и зафиксированными расположением зеркал 3. Отразившись от зеркал 3, это излучение падает на вращающееся зеркало 4 под углами

851112

Оба>

%1 к„. = (Ь ; „).. причем

Jew а

Ь определенными относительно плоскос. ти 010 00), причем

241 -ЖЧа )-((Ь I a )) со«, р =агссоз

1

Z-(s la )-210 МТО )СО« где а и в — размеры большой и малой и

=(-+а()- углы между фиксирован4 4 ными направлениями рассеяния и плоскостью

0„0 00;

Мр — угол между направлением зондирующего луча и плоскостью 0 0 00.

В каждый момент времени, когда измеряемое излучение оказывается падающим на зеркало 4 ортогонально горизонтальным линиям на его поверхности, это излучение попадает через светофильтр 7 на фотоприемник 5.

Одно из зеркал 3 (фиг. 2) расположено на пути прямого излучения источника 1. Отраженное этим зеркалом и ослабленное калиброванным ослабите лем излучение в соответствующий момент времени также попадает на фотоприемник 5.

Если для определенности представить зондирующий луч и исследуемую среду в виде круговых цилиндров с диаметрами Ол и Dð, причем ось второго цилиндра ортогональна А1В А В и проходит через 0, зеркала 3 и 4в виде прямоугольных отражающих поверхностей с вертикальными и горизонразмерами " 1, h H 1, 4 33 центр зеркала 4 расположенным на оси вращения 00, а диафрагму 6 — в виде круга с диаметром дь, то для того, чтобы все излучение, рассеянное под каждым углом в соответствующии мо- . мент времени, попало на фотоприемный 40 блок, должны быть соблюдены следующие соотношения

b»AD«,"«> >>«"> < « >«К< е, >ï>,, а, ;/»;.»„с о>

При этом необходимо учитывать поправку, обусловленную конечной величиной телесного угла, поступающего на фотоприемник излучения. Величина этого угла определяется размерами зеркала 4, диафрагмы 6 и расстоянием между ними, а также, отчасти, размерами зеркал 3. Поэтому желательно в соотношениях (2)выполнять равенства или возможно близко к ним приближаться. Для уменьшения телесного угла сбора излучения за зеркалом 4 может быть дополнительно установлен объектив.

Если условия (2)соблюдены, то для любого угла с измеряется излучение, 4 рассеянное в одной и той же области, ограниченной пересечением зондирующего луча и исследуемой среды. Например, для следующих условий эксперимента: 0о 20 мм, Эл 6 мм, а 1,5 (а=750 мм, в=500 мм),о(,р10о соблюдение условий (2)возможно при таком размещении зеркал 3, которое, в соответствии с формулами(1)и(3), обеспечивает измерения при углах рассеяния близких к Оо, начиная от 15, с дискретностью в 20, для углов близких к 90 — в 3-;4О, для углов близких к 180 — в T(наибольшая для данного примера). Минимальное расстояние между зеркалами сканирующей системы и центром исследуемой области,190 мм.

Дискретность для углов в районе 180 можно уменьшить, приняв, например, а

=800 мм при сохранении остальных условий эксперимента, в том числе и расстояния 0 0 = 559 мм. При этом допустимый начальный угол измерений оказывается равным l5, дискретность в районе 0 — 20, в районе 90 - 2-:3О в районе 180 - 4, Ь 572,3 мм; ф 1,ч

6 ЯЬ 240 мм.

При необходимости размеры зеркал можно выбирать меньшими, чем это ,обусловлено соотношениями (2) При этом надо соблюдать условия

«

>>,.», „Л;е >..,),„„г;д;-;

Ъ. е, «

+ о

З.х Эо

1 11 "3 61hd+D COqg

*Л11 7. -а)ССов Вл (Эо >С ) а)-асов Ъл!ро

Я

*„

NPu. Dn о + )л о и учитывать поправки на изменение размеров и неизотропность соответственно исследуемой области и рассеянного излучения.

Установка использована при исследовании светоэрозионной плазмы вза имодействия электромагнитного излу чения с веществом. Время сущест7 8511 вования плазмы 30 мс,3< 25 мм. В качестве источника зондирующего йзлуче,": ния использован лазер ЛГ-136 с мощностью излучения 110 мВт, D S мм, для вращения зеркала 4 - двигатель .а

ЦГ-2А со скоростью враь,ения 350 об/с, в фотоприемном блоке - фотоумножитель

ФЭУ-51 и интерференционный светофильтр на длину волны 0,633 мкм с полосой пропускания 20 Х, излучение в диапазоне углов 1+8 после отра-, о жения от зеркал 3 ослаблено нейтраль.ным светофильтром с коэффициентом про пускания 1:250.

1$

Если зеркало 4 установить так, что его центр смещен относительно оси вращения 00 в направлении, ортогональном горизонтаЛьным линиям зеркала, на расстояние, превышающее 2ф .I ° величину(4@))4, и при соблюдении всех условий, оговоренных в формуле и описании, то поперечное сечение развернутого во времени измеряемого излучения на участке от зеркала 4 до фотоприемника 5 представляет собой не круг, как в приведенных вьппе примерах, а кольцо, При этом излучение, соответствующее различным О, оказывается разнесенным в пространстве, что дает возможность обрабатывать его селективно. Например, можно использовать то обстоятельство, что за время одного оборота зеркала 4 на 360 излуо

3$ ченне, рассеянное в диапазоне углов от 0 до 180, может быть измерено дважды. Применяя многочастотный источник 1 и два светофильтра 7, обеспечивающих пропускание на 2-х различ40 ных частотах зондирующего излучения и установленных так, что каждый перекрывает только одну часть кольца, соответствущую одной из последовательных разверток в интервалах углов от 0 до

180 или от 180 до 0, можно последова-, ь 0 4$ тельно измерять индикатрисы на этих двух частотах. Такие измерения позволяют, например, находить оптические константы вещества рассеивающих частиц или определять спектроразмеры частиц дисперсной фазы двумя независимыми способами.

Измерение прямого излучения зондирующего источника при каждом изме- $$

12 8

l рительном цикле, позволяет непрерыв,но определять поправку на совместное изменение во времени чувствительности фотоприемника и яркости зондирующего луча, что является, в частности, предпосылкой эффективного использования

--акого высокочувствительного прибора

xaic ФЭУ. Осуществление такого контроля предоставляет возможность удаления на значительные расстояния ис-. точника излучения и фотоприемного блока от исследуемой среды. Кроме того, существенное повышение точности измерений по сравнению с известными устройствами обеспечивается в тех слу-чаях, когда предоставляется возможность локализовать единую область излучения для всех измеряемых углов рассеяния.

Формула изобретения

Устройство для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащее источник коллимированного излучений, установленные по ходу излучения оптическую систему сканирования и фотоприемник, о т л н ч а ющ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, оптическая система сканирования выполнена в виде расположенных по касательным к эллипсу и перпендикулярных его плоскости плоских зеркал и зеркала, установленного с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эллипса и проходящей через один из его фокуо сов, под углом 45 к этой оси, а исследуемая дисперсная среда размещена в другом фокусе, причем соотношение размеров полуосей эллипса(а, в) и размера дисперсной среды D в плоскости эллипса должно удовлетворять

НЕраВЕНСтВУ (С1 - 1/Ы - ba ) IIDo.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Иванов А..П. Оптика рассеивающих сред. Иинск, Наука и техника", 1969, с.j7.

2. Ритын Н. Э,, Лазарев В. П.

Нефелометр для измерения индикатрис рассеяния света в воздухе. ОМП, 1959, У 2,,с. 11(прототип).

851112

Составитель А. Щуров

Редактор В. Петра@ Техред А, Ац Корректор М. Коста

Заказ 6315 54 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,4